浮萍對Cu2+脅迫的反應機理研究

韓雪靜亞

（南京師范大學中北學院，江蘇 鎮江 212300）

重金屬在水體中不能被微生物降解，只能以不同的價態在水和生物之間轉移，當在水體中積累到一定的濃度時，就會對水生動植物系統造成嚴重危害。銅是植物生長必需的營養元素，在生物體內，多以銅離子或銅蛋白形式存在，在植物葉片中，葉綠體內的銅含量最高。銅是一種廣泛存在于水體中的過渡金屬，雖然濃度不高，但由于其毒性效應明顯，受到了環境科學界的廣泛關注。因此，本研究以Cu2+為脅迫因子，以浮萍為材料，研究了不同質量濃度Cu2+對葉綠素含量、可溶性蛋白含量、丙二醛濃度和保護酶活性的影響，揭示Cu2+對水生植物的毒害機理。

1 材料與方法

1.1 材料

浮萍（Lemna minorL.）是浮萍科浮萍屬漂浮植物。實驗材料采自南京水域，后移植于南京師范大學中北學院實驗室塑料盆中培養。

1.2 材料的培養

2020年10月初，將實驗材料置于實驗室內的塑料盆中，用自來水馴化5天。選取生長狀況較為一致的植株，分別用含有質量濃度為0、0.5、1.0、1.5、2.5 mg/L的Cu2+（以無水硫酸銅配制，質量濃度以純Cu2+計算）的1/10Hoagland’s營養液處理。第5天取相同部位的葉片，用去離子水洗凈擦干，測定其生理生化指標。

1.3 生理生化指標

葉綠素含量采用丙酮法測定，可溶性蛋白含量選用考馬斯亮藍G-250法測定，MDA濃度按照硫代巴比妥酸的方法測定，SOD活性選擇NBT光化學還原法測定。POD活性測定采用愈創木酚法。

1.3.1 葉綠素含量的測定

采取丙酮法，將葉片用80%的丙酮研磨成勻漿，用漏斗過濾，分別在652、663和645 nm處測定吸光度。

1.3.2 可溶性蛋白含量的測定

選用考馬斯亮藍G-2 5 0法測定，以牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）為標準蛋白。在595 nm處測定吸光度。

1.3.3 丙二醛（MDA）含量的測定

葉片膜脂質過氧化的程度用丙二醛（MDA）的含量來表示。MDA含量用硫代巴比妥酸（TBA）比色法測定。

1.3.4 超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定

取鮮重0.5 g的葉片，加入5 mL濃度為50 mmoL/L的磷酸緩沖溶液，在冰浴下研磨成勻漿并離心，上清液用于酶活性分析。

1.3.5 過氧化物酶（POD）活性的測定

參照愈創木酚法，在470 nm處每隔10 s讀一次數。以每分鐘吸光度的變化值表示酶活性大小。

1.4 數據處理

所有實驗均重復3次。將各生理生化指標與處理濃度作相關性分析（相關系數為r），處理組與對照組之間的差異顯著性分析由SPSS統計軟件完成，其中，P＜0.05和P＜0.01分別表示顯著差異和極顯著差異。

2 結果與分析

2.1 Cu2+對浮萍葉片總葉綠素含量的影響

由實驗結果可知，浮萍葉片葉綠素含量隨著Cu2+質量濃度的升高而下降。在Cu2+質量濃度為0.5 mg/L時，葉綠素含量下降了65.93%，葉綠素a/b含量達到了最低值，尤其是葉綠素a的含量急劇降低。

2.2 Cu2+對浮萍葉片可溶性蛋白含量的影響

隨著Cu2+質量濃度的升高，浮萍葉片可溶性蛋白含量逐漸下降。其中，在Cu2+質量濃度為1.0 mg/L時，可溶性蛋白含量略微降低。當Cu2+質量濃度超過1.5 mg/L時，浮萍中的可溶性蛋白含量顯著下降。統計分析表明，可溶性蛋白含量與Cu2+質量濃度之間達到了極顯著負相關（r=-0.933 6，P＜0.01）。

2.3 Cu2+對浮萍葉片丙二醛（MDA）濃度的影響

MDA濃度隨Cu2+質量濃度的變化如圖1所示，隨著Cu2+質量濃度的不斷升高，MDA的濃度也不斷增加。在Cu2+質量濃度為2.5 mg/L時，浮萍葉片的MDA濃度達到最高。統計分析表明，MDA的濃度與Cu2+質量濃度呈極顯著正相關（r=0.971 0，P＜0.01）。

圖1 Cu2+質量濃度對浮萍葉片丙二醛（MDA）濃度的影響

2.4 Cu2+對浮萍葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

SOD活性隨Cu2+質量濃度的變化如圖2所示，隨著Cu2+質量濃度的增加，SOD活性先上升后下降，在Cu2+質量濃度為1.0 mg/L時達到最大值。統計分析表明，對照組與實驗組之間的SOD值達到了極顯著差異（P＜0.01）。

圖2 Cu2+質量濃度對浮萍葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

2.5 Cu2+對浮萍葉片過氧化物酶（POD）活性的影響

隨著Cu2+質量濃度的不斷升高，POD活性也呈先上升后下降的趨勢，在Cu2+質量濃度為1.0 mg/L時達到峰值，比對照組上升了63.79%。

3 討論

葉綠素是植物光合作用的主要色素，其含量與植物光合作用水平有著密切的關系。銅參與光合作用的電子傳遞和光合磷酸化及多種葉綠體酶的合成，對植物葉綠體含量和光合作用有著直接影響[1]。本實驗采用2.5 mg/L Cu2+處理時，葉綠素含量降到最低。

可溶性蛋白質的含量能反映植物生理活動的旺盛程度。研究發現，在不同質量濃度的Cu2+處理下，浮萍葉片的可溶性蛋白含量逐漸降低，在低質量濃度Cu2+（0.5 mg/L）下下降緩慢；在高質量濃度Cu2+（≥1.5 mg/L）下下降明顯。這可能是因為Cu2+在細胞內提高了蛋白水解酶的活性，加快了蛋白質的水解[2]。

丙二醛是最常見的膜脂過氧化產物，從膜上產生的位置釋放后，可以與蛋白質等生物大分子發生反應，從而改變生物大分子的結構，甚至使其喪失功能。浮萍中MDA濃度隨著Cu2+質量濃度的上升而增加，說明膜脂過氧化程度加劇。

超氧化物歧化酶普遍存在于植物體內，是一種清除超氧陰離子自由基的酶，其與過氧化物酶協同作用并預防活性氧或其他過氧化物自由基對細胞膜系統造成傷害。Cu2+脅迫可打破三者的平衡，使植物體內自由基含量上升。SOD和POD的活性都是先升后降，其活性的降低在一定程度上加劇了活性氧對膜的傷害，導致植物細胞損傷過大，保護能力下降，細胞結構及生理生化反應被破壞，最終加速了植物細胞的衰老和死亡[3]。

重金屬Cu2+對浮萍有明顯的毒害作用，會破壞植物正常的生理代謝，最終導致植物死亡。